presen tutoria 1 08 09

Tutoria sobre Metabolismo microbiano

Perspectiva general del metabolismo bacterianoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energía

Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaAcoplamiento de equivalentes de reducciónAcoplamiento de equivalentes de reducción

Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redox

Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética

Metabolismos generadores de energía

OBJETIVOS DE LA TUTORIA

1. Establecer las diferencias entre anabolismo y catabolismo

2. Conocer los requerimientos de energía en bacterias

3. Conocer los términos de oxidación y reduccióny

4. Definir:

• donador primario de electronesdonador primario de electrones

• aceptor terminal de electrones.

• transportador de electrones intermediarios• transportador de electrones intermediarios

5. Conocer las diferencias entre fosforilación a nivel de sustrato y

f f il ió id tifosforilación oxidativa

6. Definir los metabolismos productores de energía

7. Conocer las relaciones de las bacterias con el oxígeno

Metabolismo microbiano

Metabolismo: Conjunto de reacciones químicas en un

organismoorganismo

Catabolismo: Procesos generadores de energía

Anabolismo: Procesos utilizadores de energía

El catabolismo proporciona no solo la energía sino los metabolitos precursores para el anabolismometabolitos precursores para el anabolismo.

Moléculas simples comol i á id

Liberación ANABOLISMOglucosa, amino ácidos,glicerol y ácidos grasos de calor ANABOLISMO

CATABOLISMO

Las reacciones catabólicas transfieren

Las reacciones anabólicas transfieren

energía desde moléculas complejas al ATP

energía desde el ATP hacia moléculas simples

ADP+ Pi

Moléculas complejas, como almidón, proteínas Liberación

, py lípidos de calor

Perspectiva general del metabolismo bacteriano

CATABOLISMOCATABOLISMO ANABOLISMOANABOLISMOBiopolímeros (proteínas) Luz

FOTOSÍNTESISFOTOSÍNTESISFuente de energía Biopolímeros (proteínas)

Maquinaria fotosintética

Intermediarios biosintéticos (ej: aminoácidos)ATP

ATPfotosintética

Pool intracelular de precursores

ADP ADPp

Relación entre el anabolismo y el catabolismo en una célula. Durante el catabolismo, la energía producida se transforma

Nutrientes extracelularesProductos metabólicos finales

y , g py se retiene según las leyes termodinámicas, estas transformaciones energéticas nunca son completamente eficientes ysiempre se pierde energía en forma de calor. La eficiencia de una secuencia de reacciones catabólicas es la cantidad deenergía disponible a la célula (para el anabolismo) dividida por la cantidad total de energía producida durante lasreacciones.

Una ruta metabólica es una secuencia de reacciones

enzimáticas celulares.

Estas rutas vienen determinadas por las enzimas.

Las enzimas están codificadas genéticamente.g

Reacciones catabólicas

Reacciones biosintéticas

Polimerizaciones Reacciones de ensamblaje

Ác. grasosLípidos

Inclusion

Metabolitosprecursores

Energía

Azúcares

Glucógeno

Envueltas

Energía metabólica: ATP; FPM

Poder d t

Amino ácidos ~

Glucógeno

MureinaFlagelos

PiliGlu

reductor: NAD(P)H

Nucleótidos

Proteína

Citoplasma

Nucleótidos

Poli-ribosomas

Nucleoide

Productos catabólicos

Precursores Macromoléculas Estructuras en E.coli

Esquema del metabolismo que conduce al crecimiento bacteriano: Flujo bioquímico que convierte un sustrato orgánico (glucosa) HETEROTROFOS, en las estructuras de una célula bacteriana a través de reacciones catabólicas, biosintéticas de polimerización y ensamblaje

Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químico

Trabajo químico:

• Reacciones endergónicas biosintéticas• Reacciones endergónicas biosintéticas

• Transporte de iones y moléculas a través de la membrana contra gradienteg

Trabajo mecánico: de movimiento

Algunas actividades celulares que Algunas actividades celulares que demandan energíademandan energía

Relacionadas con el No relacionadas con el crecimiento crecimiento

Transporte de nutrientes* Movilidad*

Secreción de proteínas y otrasBiosíntesis de precursores Secreción de proteínas y otras sustancias

Polimerización de macromoléculas Mantenimiento del pool de metabolitosmetabolitos

Modificación y transporte de macromoléculas

Mantenimiento de la presión de turgencia*

Ensamblaje de estructuras Mantenimiento del pH celular*

División celular Reparación de estructuras celulares

C i ió i t l l

Comunicación intercelular

Comunicación con el medio: taxias

Fuentes de energías asimilables por las bacterias

Las células guardan, transforman y gastan energía

Energía Solar: FototrofosEnergía Solar: Fototrofos

Energía química: Quimiotrofos

Toda la energía deriva de reacciones redox orgánicas , inorgánicas o fotoquímicas:l i t l ú i i d tili l t ti dlos procariotas son los únicos organismos que pueden utilizar los tres tipos dereacciones para obtener energía: GRAN VERSATILIDAD METABÓLICA

La liberación de energía casi siempre implica reacciones de oxido-reducción en las que existe transferencia de electrones

Oxidación-Reducción

Oxidación es quitar electrones.

Reducción es la adición de electrones.

La reacción redox es una reacción de oxidación apareada aLa reacción redox es una reacción de oxidación apareada a

otra reacción de reducción.

Oxidación-Reducción

En los sistemas biológicos, los electrones suelen estar

asociados con átomos de hidrógeno. Las oxidaciones

biológicas son a menudo deshidrogenacionesbiológicas son a menudo deshidrogenaciones.

El ATP funciona como un coenzima en reacciones energéticasenergéticas

Estructura del ATP: derivado del AMP con dos fosfatos adicionales unidos através de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisistravés de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisisproporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes.

La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre:

ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) y g g

Acoplamiento oxido-reducción-energíaAcoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATP

CH2 OP

NAD+ NADH +H + CH2 OP

ADP ATP

O O OPPi

Gliceraldehido 3P 1,3 difosfoglicerato 3 fosfoglicerato

A l i t lé t i t i l d bAcoplamiento eléctrico: potencial de membrana

Energía química

Oxidación del sustrato

“POTENCIAL DE MEMBRANA”

qTrabajo

Transporte Sí i d

Transporte

MovimientoSíntesis de ATP

Acoplamiento oxido-reducción-energía•Acoplamiento de equivalentes de reducción

BH2 Eo: potencial de reducción estándarAH2

NADH +H +

OxidaciónReducciones

H2 2 e- + 2 H+ (Eo= - 0,42V)

CMejor donador de electrones

NADH + H+ + 1/2 O2 →

H2O + NAD+Par E0 ' (V)

Ferrodoxina(ox)/ Ferrodoxina(red)cloroplastos -0,432

H / H 0 420∆ E0

’ = 1.14VH+ / H2 -0.420

NAD+ / NADH + H+ -0.320

S0/H2S -0.280

SO4/H2S -0.220

∆ Go = -n F ∆ E0’ Piruvato / Lactato -0.180

S4O62-/S2O3

2- +0.024

Fumarato/succinato +0.03

Cit b i 0 035 F t t d F dCitocromo b oxi +0.035

Fe3+/Fe2+ +0.2

Ubiquinona(ox) / Ubiquinona (red) +0.11

Citocromo C (ox) / Citocromo C (red) +0.250

F: constante de Faraday

A mayor diferencia de potenciales de reducción

entre el donador y aceptor de

Mejor aceptor de electrones

NO3-/NO2

- +0.42

Citocromo Oxidasa (ox) / citocromo oxidasa (red) +0.550

½ O2 / H2O +0.820

entre el donador y aceptor de electrones, mayor energía se

genera

Se utiliza una célulaSe utiliza una célulaEléctrica para medir Los potencialesLos potenciales redox Standard

Poder reductor: intermediarios redox

NAD NAD(oxidado) (reducido)

2H (2H+2e-)

Nicotinamida

Ribosa

Estructura del coenzima redox NAD+

AdeninaNAD+

Los piridin nucleótidos y otros intermediarios redoxRibosa Los piridin nucleótidos y otros intermediarios redox(FAD+) funcionan en:

• Transferencia del poder reductor

E l ió d l d d t

• En la generación del poder reductorFosfato en:

Tutoria sobre Metabolismo microbianoPerspectiva general del metabolismo bacterianoR i i t éti t b j á i í i

uto a sob e etabo s o c ob a o

Requerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energíap g

Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaA l i t d i l t d d ióAcoplamiento de equivalentes de reducción

Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redox

Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoF f il ió id ti d t t d d l tFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética

El ATP funciona como un coenzima en reacciones energéticas

Enlaces fosfato de

alta energía

Estructura del ATP: derivado del AMP con dos fosfatos adicionales unidos através de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisistravés de enlaces fosfato ricos en energía en el sentido de que su hidrólisisproporciona una mayor energía que la contenida en las uniones covalentes.

La hidrólisis de ATP hasta ADP y P genera una variación de energía libre:

ΔGo'= -31 kJ (= -7,3 kcal/mol) y g g

La generación de ATP

El ATP se genera por la fosforilación del ADP.

Mecanismos de obtención de ATP en bacterias

Acoplamientos del proceso redox a la disponibilidad de

íenergía

1. Fosforilación a nivel de sustrato

Transferencia de P desde compuesto orgánico al ADPEnzimas solubles citoplasmáticasIntermediarios covalentes ricos en energíaEn fermentación y respiraciónBajo rendimiento en ATPBajo rendimiento en ATP

Ejemplo: Fosforilación de EMP que llevan a cabo todas las bacterias fermentadoras que siguen la ruta glucolítica

2. Fosforilación oxidativa respiratoria y fotosintética

Procesos unidos a la membrana: vectorial y orientado

Fosforilación por transporte de electrones

No existen intermediarios covalentes ricos en energíag

Establecimiento de una fuerza protón motriz o gradiente de potencial a nivel de la membranap

Respiración y fotosíntesis

2. Fosforilación oxidativa respiratoria y fotosintética

Procesos unidos a la membrana: vectorial y orientado

e- 22H+

2 2e-H+ H+

Tutoria sobre Metabolismo microbiano

Perspectiva general del metabolismo bacterianoRequerimientos energéticos: trabajo mecánico y químicoFuentes de energía asimilables: luminosa y química: oxidorreduccionesAcoplamiento oxido-reducción-energíaAcoplamiento oxido-reducción-energía

Acoplamiento químico directo: enlaces ricos en energía: ATPAcoplamiento eléctrico: potencial de membranaAcoplamiento de equivalentes de reducción

Potenciales de reducciónPoder reductor: intermediarios redoxPoder reductor: intermediarios redox

Mecanismos de obtención de ATP en bacteriasFosforilación a nivel de sustratoFosforilación oxidativa en cadena transportadora de electronesFotofosforilación fotosintética

Metabolismos generadores de energíaRelaciones de las bacterias con el oxígeno

Metabolismos generadores de energía: FERMENTACIÓN

Compuesto orgánico(donador de e-)

Fl j d El tGlucosa

Donador y aceptor son sustancias orgánicas

Intermediario

Flujo de ElectronesÁtomos de carbonoGlucosa

PrecursoresPrecursores NO h t tATP por fosforilación a

Intermediario-PADP

P PrecursoresmetabólicosPrecursoresmetabólicos

NO hay aceptor externo de electrones

ATP por fosforilación a nivel de sustrato

Compuesto orgánicoo idado (aceptor e )

Transportador de electrones

ATPFosforilación a nivel

de sustrato

oxidado (aceptor e-)

C t á i

de electrones

Piruvato

NO h id ióCompuesto orgánicoreducido

LacticoÓ

NO hay oxidación total del sustrato

Acumulación compuestos reducidos

Flujo de carbono y electrones en la FERMENTACIÓN

Metabolismos generadores de energía: RESPIRACIÓN

Compuesto orgánico(donador de e-) Fosforilación oxidativa

HETEROTROFOS

Respiración aerobia

Electrones

ATPADP O2

Átomos de carbono

Respiración anaerobia

Electrones

OtrosFuerza protón motriz

Biosíntesis

Compuesto inorgánico(d d d )

METABOLISMO EN (donador de e-)

Electrones

Átomos de carbono

LITOTROFOS

O2Biosíntesis

Átomos de carbono

Flujo de carbono y electrones en la RESPIRACIÓN

Metabolismos generadores de energía: FOTOSÍNTESIS

CO2LUZ Compuesto

orgánico

Átomos de carbono

Flujo de Electrones Átomos de carbono

BiosíntesisFuerza motriz de protones

Biosíntesis

F t tót f F t h t ót f

Fotoautótrofas Fotoheterótrofas

Flujo de carbono y electrones en FOTOTROFOS

Relaciones de las bacterias con el oxígeno

GruposAmbiente

Efecto del O2Aeróbico Anaeróbico

Aerobios estrictos Crecimiento No Crecimiento

Requerido (respiración aerobia)

Microaerofilos Crecimiento No Crecimiento

Requerido pero a bajas tensiones < 0.2 atm

NoAnaerobios estrictos No Crecimiento Crecimiento Tóxico

Anaerobios facultativos Crecimiento Crecimiento No requerido pero utilizado Anaerobios facultativos Crecimiento Crecimiento cuando esta disponible

Anaerobios aerotolerantes Crecimiento Crecimiento No requerido y no utilizado

aerotolerantes

Relaciones de las bacterias con el oxígeno

Bacterias

Aerobios estrictos

AeroAero-- tolerantestolerantes

Anaerobios estrictos

Anaerobios facultativos

Microaerofilos

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